Jurnal Sains Materi Indonesia
Indonesian Journal of Materials Science ISSN : 1411-1098
PENDAHULUAN
Superkonduktor baru MgB2dengan suhu transisi kritisTc,0= 39 K telah ditemukan pada bulan Januari 2001 [1]. MgB2adalah senyawa intermetalik, struktur kristal lebih sederhana dibandingkan dengan superkonduktor oksida, bersifat isotropis, dan memiliki kontak listrik (link) antara butir yang kuat, sehingga bahan ini memiliki prospek yang baik untuk berbagai aplikasi industri, yakni bidang elektronika, energi, transportasi, dan kedokteran. [2].
Eksperimen tentang sintesis film tipis superkonduktor MgB2 dengan suhu transisi kritis Tc,0 39 K sudah banyak dilaporkan, diantaranya didasarkan pada teknikelectron beam evaporation(EBE). Pertama film tipis B dibuat dengan EBE padasubstrate Al2O3, kemudian dengan tekanan tinggi Mg didifusikan ke dalam B pada suhu 890°C selama 20 menit [3]. Teknik
ini dapat menghasilkan film tipis MgB
2 dengan
superkonduktifitas yang setara dengan superkonduktifitas MgB
2 bulk, tetapi kurang efisien
karena prosesnyaex-situdan harus dilakukan pada suhu dan tekanan Mg yang tinggi.
Hingga sekarang sudah ada beberapa laporan yang berhasil membuat film tipis superkonduktor MgB
2
dengan teknikpulsed laser deposition(PLD)[4-6], tetapi T
c,0masih lebih kecil dari 39 K. Hal ini kemungkinan karena
terbentuknya fasa-fasa lain selain MgB
2 pada saat
deposisi, sehingga dihasilkan film denganT
c,0yang lebih
rendah. Yang tergolong berhasil dalam mendapatkan film tipis superkonduktor MgB
2dengan teknik PLD adalah
Brinkman [4] dan Christen [5], mereka menggunakan pengungkung Mg yang tebal untuk menjaga agar Mg tidak berdifusi ke luar selama proses anil. Ada dua
SINTESIS FILM TIPIS SUPERKONDUKTOR MgB
2DENGAN TEKNIK
PULSED LASER DEPOSITION
E. Sukirman
1, M. Ohkubo, Y. Nakagawa
2, H. Yamasaki
2dan S. Kashiwaya
21Puslitbang Iptek Bahan (P3IB) - BATAN
Kawasan Puspiptek, Serpong, Tangerang 15314
2National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
Tsukuba, Japan
ABSTRAK
SINTESIS FILM TIPIS SUPERKONDUKTOR MgB2DENGAN TEKNIK PULSED LASER DEPOSITION.Film tipis superkonduktor MgB2telah disintesis dengan teknikpulsed laser depositionpada
substrateAl2O3(001). Sifat listrik film dikarakterisasi dengan metodefour point probe, strukturmikro diamati dengan SEM, fasa bahan dianalisis secara kualitatif dan kuantitatif berturut-turut dengan XRD dan EDAX. Hasil analisis menunjukkan bahwa film menampilkan suhu transisi kritisTc,0= 10 K, ukuran butir lebih kecil dari 10m dan acak sehingga MgB2dan fasa-fasa lain yang diduga kuat ada di dalam film tidak teramati dengan XRD, namun persen atom Mg, B dan O dapat dideteksi dengan EDAX, film masih kekurangan magnesium dan terkontaminasi oksigen. Untuk mengimbangi hilangnya unsur Mg akibat penguapan dan menjaga agar Mg tidak teroksidasi, perlu dilakukan optimasi tekanan gas argon dan plasma magnesium di dalam kamar deposisi.
Kata kunci: superkonduktor MgB2, teknik pulsed laser deposition,film tipis.
ABSTRACT
SYNTHESIS OF MgB2SUPERCONDUCTOR THIN FILM BY PULSED LASER DEPOSITION TECHNIQUE. The thin film of MgB2superconductor was synthesized by pulsed laser deposition technique on thesubstrateof Al2O3(0001). The electrical property of the film was characterized by four point probe method, the micro structure was observed by SEM, the film were analyzed qualitatively and quantitatively by XRD and EDAX, respectively. The result show that the film indicates a critical transition temperature,Tc,0of 10 K, the grains size are less than 10m and randomly oriented so the MgB2and the other phase are not able to be detected by XRD, although the atomic percentage of Mg, B and O elements are able to be observed by EDAX, the film are still deficient in magnesium and contaminated by oxygen. To prevent the magnesium from evaporation and oxidation, optimization the magnesium plasma and the background pressure of argon gas in the deposition chamber are needed.
masalah yang dihadapi dalam pembuatan film tipis superkonduktor MgB
2, yakni Mg mudah teroksidasi dan
mudah menguap bahkan pada suhu rendah mulai 200°C [7]. Masalah pertama diatasi dengan melakukan proses deposisi dalam ruang hampa (sekitar 10-7 Torr).
Sedangkan untuk mengimbangi (mengganti) Mg yang hilang karena penguapan, maka setelah proses deposisi selesai dilanjutkan dengan prosesanildalam lingkungan plasma yang kaya Mg. Proses anil tersebut dapat dilakukan secarain-situatauex-situ.
Dalam eksperimen sekarang dilakukan ablasi laser pada target MgB
2+Mg dilanjutkan dengan anil
secarain-situdengan tujuan mendapatkan film tipis MgB
2
untuk pembuatan detektor radiasi kelak. Tambahan logam Mg dimaksudkan agar plasma yang terbentuk tidak mengalami kekurangan unsur Mg akibat banyaknya penguapan. Dalam eksperimen ini juga dipelajari tentang bagaimana pengaruh tekanan gas argon, suhu deposisi dan suhuanilsecara in-situ dalam pendeposisian film tipis superkonduktor MgB
2dengan teknik PLD.
BAHAN DAN TATA KERJA
Eksperimen ini terdiri dari dua bagian, yakni preparasi target MgB2+Mg dan penentuan parameter deposisi yang paling cocok untuk menumbuhkan film tipis MgB2dengan teknik PLD. Seluruh kegiatan eksperimen dilakukan diSpectroscopic Photon Sensing Group, Photonics Research Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Tsukuba, Jepang.
Preparasi Target MgB
2+Mg
Disiapkan suatu campuran yang terdiri dari 50 % vol serbuk Mg (Alfa Aesar: 99,6 %) dan 50 % vol serbuk MgB2(Alfa Aesar: 98,0 %). Campuran serbuk tersebut diaduk (digerus) secara hati-hati dan ditekan dengan tekanan 5 ton/cm2 sehingga diperoleh pelet, diameter
20 mm dan ketebalan 2,7 mm. Peletdisinterpada 750°C dalam aliran gas nitrogen selama 5 jam diikuti dengan pendinginan ke suhu ruang, maka diperoleh MgB2 berbentuk pelet. Pelet MgB2ditempatkan pada pemegang target berbentuk cincin dari baja, diameter luar dan dalam berturut-turut 30 dan 19 mm. Sebagian permukaan pelet
MgB2ditutup dengan pelat Mg lebar 3,3 mm dan tebal 0,5 mm, sehingga dengan 3 pelat Mg dapat menutup 50 % permukaan MgB2(Gambar 1).
Prinsip Kerja PLD
Penumbuhan film tipis dengan teknik PLD dilakukan pada kamar deposisi (deposition chamber). Secara konseptual dan eksperimental, kamar deposisi sangat sederhana seperti ditunjukkan pada Gambar 2. Kamar deposisi terdiri dari pemegang target (target holder), pemegangsubstrate(substrate holder), saluran pemompa udara dan saluran gas reaktif.
Sinar laser berenergi tinggi dari mesin pembangkit laser diarahkan pada target di dalam kamar deposisi. Laser berinteraksi dengan bahan target menghasilkanlaser plume(plasma) berbentuk kerucut. Jarak antara target dan substrate diatur sedemikian sehingga substrate berada pada posisi bidang dasar kerucut tersebut.Laser plumeterdiri dari atom-atom dan partikel-partikel dalam wujud uap atau gas yang kemudian menempel pada substratedalam bentuk film tipis. Dengan adanya saluran gas reaktif, penumbuhan film tipis dapat dilakukan dalam lingkungan berbagai jenis gas seperti oksigen dan argon tergantung jenis target dan film yang diinginkan [8].
Deposisi
Film
Tipis Superkonduktor MgB
2Deposisi film tipis superkonduktor MgB2 pada substratedengan teknik PLD, bergantung pada banyak parameter yakni : target, tekanan udara dalam kamar deposisi sebelum proses pelapisan, tekanan dan fluksi gas reaktif (dalam eksperimen ini digunakan gas argon), suhu dan waktu deposisi, suhu dan waktu anil, jarak antara target dansubstrate, frekuensi dan energi laser untuk deposisi dananil. Jadi sekurang-kurangnya ada 12 parameter yang harus diubah dan dikombinasikan agar diperoleh film tipis superkonduktor MgB2. Parameter-parameter tersebut diubah secara tidak bergantungan kecuali waktu deposisi dan frekuensi pulsa laser, kedua parameter tersebut diubah secara berlawanan. Parameter deposisi, parameteranildan satuan pengubah ditunjukkan pada Tabel 1. Deposisi film MgB2dilakukan sebagai berikut :
Gambar 1.Pelet MgB2ditempatkan di dalam lobang cincin baja (a), dan pita Mg direkatkan
dengan pasta perak pada cincin baja sedemikian sehingga sebagian permukaan pelet tertutupi pita Mg (b)
Pelet MgB
2Jurnal Sains Materi Indonesia
Indonesian Journal of Materials Science ISSN : 1411-1098
1. Digunakan laser KrF,panjang gelombang = 248 nm, energiE= 400-450 mJ dengan frekuensif= 5-30 Hz, target : MgB
2+nMg (nadalah jumlah pelat Mg yang
nilainya : 0, 1, 2, 3) dansubstrate: kristal tunggal Al
2O3(001).
2. Substrate direkatkan dengan pasta perak pada pemegangsubstrate tepat di atas target pada jarak d= 23,0–50,0 mm.
3. Kamar deposisi divakumkan hingga tekanan P = 10-6–10-7 Torr. Sebelum deposisi film dimulai,
permukaan target ditembaki dulu dengan sinar laser selama 1 menit, maksudnya untuk menghilangkan impuritas yang mungkin ada pada permukaan target. 4. Penumbuhan film dilakukan pada kondisi dimana plumeberwarna biru dan deposisi film dilakukan pada besaran suhu, yakni T= 25-500°C.
5. Target ditembaki dengan berkas sinar laser selama t= 5-30 menit. Setelah deposisi dilanjutkan dengan proses anil, sebagai berikut :
a. Suhu substrate dinaikan hingga suhu anil, dalam eksperimen ini dicoba empat besaran suhuanilyakniT= 580, 590, 600, 610°C, ditahan pada suhu tersebut selama 5-6 menit, kemudian dilakukan pendinginan cepat ke suhu ruang.
b. Anil dilakukan pada kondisi dimana plume berwarna biru.
c. Gas argon dialirkan ke dalam kamar deposisi sejak suhusubstrate200°C.
d. Pada suhusubstratemulai 350°C hingga suhu anil dan turun lagi hingga 350°C, substrate berada dalam lingkungan plasma magnesium, hal ini dicapai dengan menembaki pelat logam Mg dengan sinar laser frekuensif= 5-10 Hz dan energi sama dengan energi ketika deposisi.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Warna permukaan pelet MgB2hasil sinter tidak berwarna hitam melainkan kecoklat-coklatan, hal ini karena ada sebagian Mg yang menguap dari pelet. Oleh karena itu, lapisan luar pelet dihilangkan kira-kira setebal 1-2 mm dengan cara diasah. Diterapkannya periode sintering yang pendek dimaksudkan untuk meminimumkan penguapan Mg dari pelet. Gambar 3 adalah pola difraksi sinar-x dari pelet MgB2yang telah disinter pada 750°C. Analisis dengan metodeHanawalt menunjukkan bahwa MgB2 memiliki sistem kristal heksagonal, dengan parameter kisi :a=b= 3,083 Å dan
Saluran pompa udara
Saluran gas reaktif Pemegang target Pemegang substrate Plume (Plasma) Lensa pemfokus Berkas laser
Gambar 2.Diagram skema kamar deposisipulsed laser deposition(PLD).
Tabel 1.Parameter deposisi, nilai dan satuan pengubah untuk menumbuhkan film tipis
superkonduktor MgB2 dengan teknikpulsed laser deposition(PLD)
Nilai dan satuan pengubah No. Parameter Minimum Maximum Satuan
1. Target : MgB2+nMg n = 0 n = 3 pelat
2. Tekanan udara (Pu) 7 x 10-6 2 x 10-7 Torr
3. Fluksi gas argon () 10 30 ml/menit 4. Tekanan gas argon (Pa) 0,20 1,0 Torr
5. Suhu deposisi (T) 25 500 C 6. Waktu deposisi (t) 5 30 menit
7. Suhu anil (T) 580 610 C
8. Waktu anil (t) 5 6 menit
9. Jarak target-substrate(d) 23,0 50,0 mm 10. Energi laser (E) 400 450 mJ 11. Frekuensi pulsa laser untuk deposisi (f) 5 30 Hz 12. Frekuensi pulsa laser untuk anil (f) 5 10 Hz
c= 3,521 Å. Sifat listrik bahan diukur denganfour point probe, Gambar 4 menunjukkan kurva resistansi (R) terhadap suhu (T) pelet MgB2, tampak bahwa pelet MgB2 adalah superkonduktor dengan suhu transisi superkonduksi Tc,0
26 K dan suhu awal transisi Tc,on= 39 K.Pada mulanyaplumeyang ditimbulkan oleh ablasi laser pada target MgB2 berwarna hijau, sama dengan ketika ablasi laser pada target MgO [4]. Ini menunjukkan bahwa selama ablasi laser tersebut, Mg teroksidasi menjadi MgO. Oleh karena itu, film yang terbentuk pada
Gambar 3.Pola difraksi sinar-x dari pelet MgB2, radiasi CuK-=1,5405 Å, tidak terdeteksi adanya puncak asing kecuali puncak MgO(220).
biru. Agar ablasi laser terbebas dari pengaruh oksigen, maka dialirkan gas argon dengan tekanan diatur sedemikian rupa sehingga diperolehplumeberwarna biru. Dengan memvariasikan tekanan gas argon, maka secara mencolok teramati adanya perubahan warnaplume dari hijau pada tekanan rendah (P < 0,5 Torr), menjadi biru pada tekanan tinggi (P 0,5 Torr). Keduabelas pa-rameter deposisi dananiltersebut diubah-ubah dan dikombinasikan sehingga dapat diuji coba 140 cuplikan film tipis MgB
2dan film MgB2yang paling baik dalam
eksperimen ini adalah film dengan parameter deposisi dan parameter anil seperti ditunjukkan pada Tabel 2.
Gambar 5 adalah kurva yang menunjukkan hubungan antara resistansiR(W) terhadap suhuT(K) dari film tipis superkonduktor MgB
2yang ditumbuhkan
pada substrateAl
2O3 (001) menggunakan teknik PLD
dengan menerapkan proses anil secara in-situ berdasarkan data parameter deposisi dan anil pada Tabel 2. Pengukuran resistansi dilakukan menggunakan metode four point probe ac. Transisi superkonduksi dimulai padaT
c,on= 26,5 K dan resistansi menjadi nol
padaT
c,0= 10 K.
Jadi suhu transisi superkonduksi MgB
2-film
menyusut hingga 10 K dari 26,5 K pada MgB
2-bulk(pelet),
hal ini mungkin karena masih kecilnya ukuran butir kristal MgB
2(akibat penumbuhan kristal belum optimal) dan
adanya fasa kedua seperti MgO (akibat masih terkontaminasi oksigen). Indikasi bahwa film mengandung fasa kedua terlihat jelas pada inset Gambar 5 (perbesaran untuk daerah suhu 5-30 K), dimana penurunan resistansi dari keadaan normal (60 ) ke keadaan superkonduktor (0) terjadi pada selang harga suhu yang lebar (16,5 K).
Foto permukaan film dengan SEM ditunjukkan pada Gambar 7, tampak bahwa daerah yang hitam (gelap) adalah matriks dan yang putih adalah partikel-partikel. Data analisis energi dispersi sinar-x menunjukkan bahwa matriks dan partikel masing-masing mengandung unsur B, Mg dan O (Tabel 3). Konsentrasi Mg cukup tinggi di
Gambar 4.Kurva yang menunjukkan hubungan antara
resistansi () terhadap suhu (K) pada pelet MgB2, diukur dengan metodefour point probe.
No. Parameter Nilai Satuan
1. Target : MgB2+nMg n= 3 lempeng Mg
2. Tekanan udara (Pu) 7x10-7 Torr
3. Fluksi gas argon () 25 ml/menit 4. Tekanan gas argon (Pa) 0,75 Torr
5. Suhu deposisi (T) 200 C 6. Waktu deposisi (t) 7 menit
7. Suhu anil (T) 580 C
8. Waktu anil (t) 5 menit
9. Jarak target-substrate(d) 35,0 mm 10. Energi laser (E) 450 mJ 11. Frekuensi pulsa laser untuk deposisi (f) 10 Hz 12. Frekuensi pulsa laser untuk anil (f) 5 Hz
Tabel 2.Nilai parameter deposisi yang paling cocok untuk menumbuhkan film
Jurnal Sains Materi Indonesia
Indonesian Journal of Materials Science ISSN : 1411-1098
dalam partikel, namun masih sangat rendah di daerah matriks dan di permukaan film secara keseluruhan. Jadi film masih kekurangan magnesium dan terkontaminasi oksigen, sehingga kristalisasi senyawa MgB2 berlangsung tidak sempurna.
Untuk mengidentifikasi fasa (struktur kristal) film, maka dilakukan karakterisasi dengan difraksi sinar-x, menggunakan radiasiCuK. Intensitas difraksi dicacah mulai dari sudut 2= 26° - 76° dengan lebar langkah
: 0,04°, lama cacahan per titikt= 2 detik dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 6. Tampak bahwa hanya ada satu puncak yang dapat diamati, yakni puncak dari substrateAl2O3bidang (001). Tidak teramatinya
puncak-puncak MgB
2menunjukkan bahwa film yang terbentuk
padasubstrateadalah polikristal dengan ukuran butir yang sangat kecil akibat prosesanilyang belum optimal.
Gambar 5. Kurva yang menunjukkan hubungan antara
resistansi () terhadap suhu (K) pada film tipis MgB2. Tc,0= 10 K tampak jelas padainset
Gambar 7. Foto SEM dari permukaan film tipis MgB2
hasil ablasi laser pada 200C/7 menit dananilpada 580C/ 5 menit dengan pembesaran : 50 kali.
2m
Gambar 8. Foto SEM dari permukaan film tipis MgB2
hasil ablasi laser pada 200C/7 menit dan anilpada 580C/5 menit dengan pembesaran 5.000 kali.
Demikian pula puncak dari fasa lain yang mungkin ada seperti MgO tidak teramati karena jumlahnya terlalu sedikit untuk bisa diamati dengan difraksi sinar-x. Struktur mikro dengan pembesaran 5x103kali ditunjukkan pada
Gambar 8, tampak bahwa orientasi butir-butir masih acak dan berukuran sekitar 2m.
KESIMPULAN
Film tipis superkonduktor MgB
2telah disintesis
pada substrate Al
2O3 (001). Film menampilkan suhu
transisi kritisT
c,0= 10 K, masih di bawah suhu transisi
kritis MgB
2dalam wujud pelet, yakniTc,0= 26 K. Salah
satu penyebabnya adalah karena film masih kekurangan magnesium. Oleh karena itu diperlukan perlakuan khusus untuk mengimbangi hilangnya unsur Mg akibat penguapan dan menjaga agar tidak terjadi oksidasi Mg, yakni dengan optimasi tekanan gas argon dan plasma magnesium di dalam kamar deposisi.
Persen atom (%)
Unsur Seluruh daerah Matriks Partikel
B 78,29 86,50 66,45
O 14,63 13,26 6,03
Mg 7,08 0,24 27,51
Tabel 3. Data EDAX (energy dispersive analysis of
x-rays) dari film tipis MgB2menunjukkan kuantitas unsur B, Mg dan O masing-masing pada daerah permukaan secara keseluruhan, matriks dan partikel.
Gambar 6.Pola difraksi sinar-x dari film tipis MgB2,
radiasi CuK-=1,5405 Å, yang terdeteksi hanya puncak difraksisubstrateAl2O3(001).
Riset ini dibiayai olehthe National Institute of Advanced Industrial Science,Japandi bawah payung the Scientist Exchange Program in Nuclear Energy Research. Saya mengucapkan terimakasih kepada Dr. Ukibe, Mr. H. Pressler, Mrs. Kajiwara, dan Dr. B. Pijambudi atas bantuannya.
DAFTAR PUSTAKA
[1]. J. NAGAMATSU, N. NAKAGAWA, T. MURANAKA, Y. ZENITANI, and J. AKIMITSU, Nature410(2001) 63.
[2]. S.L. BUDKO, G. LAPERTOT, C. PETROVIC, C.E. CUNNINGHAM, N. ANDERSON, and P.C. CANFIELD,Phys. Rev. Lett.86(2001) 1877. [3]. W.N. KANG, H.J. KIM, E.M. CHOI, C.U. JUNG, S.I.
LEE,Science292(2001)1521.
[4]. A. BRINKMAN, D. MIJATOVIC, G. RIJNDERS, V. LECA, H.J.H. SMILDE,I. OOMEN,A.A. GOLUBOV, F. ROESTHUIS, S. HARKEMA, H. HILGENKAMP, D.H.A. BLANK, and H. ROGALLA,PhysicaC353 (2001) 1.
[5]. H.M. CHRISTEN, H.Y. ZHAI, C. CANTONI, M. PARANTHAMAN, B.C. SALES, C. ROULEAU, D.P. NORTON, D.K. CHRISTEN, and D.H. LOWNDES, PhysicaC353(2001) 157.
[6]. D.H.A. BLANK, H. HILGENKAMP, A. BRINKMAN, D. MIJATOVIC, G. RIJNDERS, and H. ROGALLA,Appl. Phys. Letters79(2001) 394. [7]. G. GRASSANO, W. RAMADAN, V. FERRANDO,
E. BELLINGERI, D. MARRE, C. FERDEGHINI, G. GRASSO, M. PUTTI, P. MANFRINETTI, A. PALENZONA, and A. CHINCARINI,Supertcond. Sci. Technol.14(2001) 762-764.
[8]. D.B. CHRISEY and G.K. HUBLER,Pulsed Laser Deposition of Thin Films, John Wiley & Sons, INC., NewYork, (1994).
